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原创【雕爷学编程】Arduino动手做（63）---TCS3200D颜色识别传感器

 2020-2-24 15:51  4899 21 2 分类: MCU/ 嵌入式文集: 雕爷学编程

37款传感器与执行器的提法，在网络上广泛流传，其实Arduino能够兼容的传感器模块肯定是不止这37种的。鉴于本人手头积累了一些传感器和执行器模块，依照实践出真知（一定要动手做）的理念，以学习和交流为目的，这里准备逐一动手尝试系列实验，不管成功（程序走通）与否，都会记录下来---小小的进步或是搞不掂的问题，希望能够抛砖引玉。

【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料+代码+图形+仿真）

实验六十三： TCS3200D颜色识别传感器（可编程彩色光频识别转换器模块）

TCS3200D
是TAOS(Texas Advanced Optoelectronic Solutions)公司推出的可编程彩色光到频率的转换器。它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上,同时在单一芯片上还集成了红绿蓝(RGB)三种滤光器,是业界第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器。TCS3200D的输出信号是数字量,可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入,因此可直接与微处理器或其它逻辑电路相连接。由于输出的是数字量,并且能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度,因而不再需要A/D转换电路,使电路变得更简单。该颜色传感器主要可用于尿液分析仪,生化分析仪,验钞机等需要检测颜色的产品上。

三原色
三原色指色彩中不能再分解的三种基本颜色，我们通常说的三原色，即品红、黄、青（是青不是蓝，蓝是品红和青混合的颜色）。三原色可以混合出所有的颜色，同时相加为黑色，黑白灰属于无色系。色光三原色是指红、绿、蓝三色,各自对应的波长分别为700nm,546.1nm,435.8nm，光的三原色和物体的三原色是不同的。光的三原色，按一定比例混合可以呈现各种光色。根据托马斯·杨和赫尔姆豪兹的研究结果．这三种原色确定为红、绿、蓝（相当于颜料中的大红、中绿、群青(紫蓝)的色彩感觉）。彩色电视屏幕就是由这红、绿、蓝三种发光的颜色小点组成的。由这三原色按照不同比例和强弱混合．可以产生自然界的各种色彩变化。颜料和其他不发光物体的三原色是品红（相当于玫瑰红、桃红）、品青（相当于较深的天蓝、湖蓝）、浅黄（相当于柠檬黄）。由英国化学家富勃斯特（1781—1868）研究选定的这三原色可以混合出多种多样的颜色，不过不能调配出黑色，只能混合出深灰色。

色相

是色彩的首要特征，是区别各种不同色彩的最准确的标准。事实上任何黑白灰以外的颜色都有色相的属性，而色相也就是由原色、间色和复色来构成的。色相，色彩可呈现出来的质地面貌。自然界中各个不同的色相是无限丰富的，如紫红、银灰、橙黄等。色相即各类色彩的相貌称谓。

色相环（color circle）

是指一种圆形排列的色相光谱（SPECTRUM），色彩是按照光谱在自然中出现的顺序来排列的。暖色（WARM COLOR）位于包含红色和黄色的半圆之内，冷色则包含在绿色和紫色的那个半圆内。互补色（COMPLEMENTARY COLOR）出现在彼此相对的位置上。

三原色原理

人眼对红、绿、蓝最为敏感，人的眼睛像一个三色接收器的体系，大多数的颜色可以通过红、绿、蓝三色按照不同的比例合成产生。同样，绝大多数单色光也可以分解成红、绿、蓝三种色光，这是色度学的最基本的原理，也称三原色原理。白光通过棱镜后被分解成多种颜色逐渐过渡的色谱，颜色依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，这就是可见光谱。其中人眼对红、绿、蓝最为敏感，人的眼睛就像一个三色接收器的体系，大多数的颜色可以通过红、绿、蓝三色按照不同的比例合成产生。同样绝大多数单色光也可以分解成红绿蓝三种色光。这是色度学的最基本原理，即三基色原理。三种基色是相互独立的，任何一种基色都不能有其它两种颜色合成。红绿蓝是三基色，这三种颜色合成的颜色范围最为广泛。红绿蓝三基色按照不同的比例相加合成混色称为相加混色。

红色+绿色=黄色

绿色+蓝色=青色

红色+蓝色=品红

红色+绿色+蓝色=白色

TCS3200是TAOS公司推出的可编程彩色光到频率的转换器，它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在单一芯片上集成了红绿蓝（RGB）三种滤光器，是业界第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器，TCS3200的输出信号是数字量，可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入，因此可直接与微处理器或其他逻辑电路相连接，由于输出的是数字量，并且能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度，因而不再需要A/D转换电路，使电路变得更简单，TCS3200的引脚图

TCS3200采用8引脚的SOIC表面贴装式封装，在单一芯片上集成有64个光电二极管，这些二极管分为四种类型，其16个光电二极管带有红色滤波器；16个光电二极管带有绿色滤波器；16个光电二极管带有蓝色滤波器，其余16个不带有任何滤波器，可以透过全部的光信息，这些光电二极管在芯片内是交叉排列的，能够最大限度地减少入射光辐射的不均匀性，从而增加颜色识别的精确度；另一方面，相同颜色的16个光电二极管是并联连接的，均匀分布在二极管阵列中，可以消除颜色的位置误差。工作时，通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤波器，该传感器的典型输出频率范围从2Hz－500kHz，用户还可以通过两个可编程引脚来选择100％、20％或2％的输出比例因子，或电源关断模式。输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了它的适应能力。例如，当使用低速的频率计数器时，就可以选择小的定标值，使TCS3200的输出频率和计数器相匹配。

TCS3200识别颜色的原理
由上面的三原色感应原理可知，如果知道构成各种颜色的三原色的值，就能够知道所测试物体的颜色。对于TCS3200 来说，当选定一个颜色滤波器时，它只允许某种特定的原色通过，阻止其它原色的通过。例如：当选择红色滤波器时，入射光中只有红色可以通过，蓝色和绿色都被阻止，这样就可以得到红色光的光强；同理，选择其它的滤波器，就可以得到蓝色光和绿色光的光强。通过这三个值，就可以分析投射到TCS3200 传感器上的光的颜色。TCS3200这种可编程的彩色光到频率转换器适合于色度计测量应用领域，如彩色打印、医疗诊断、计算机彩色监视器校准以及油漆、纺织品、化妆品和印刷材料的过程控制和色彩配合。

白平衡和颜色识别原理
白平衡就是告诉系统什么是白色。从理论上讲，白色是由等量的红色、绿色和蓝色混合而成的；但实际上，白色中的三原色并不完全相等，并且对于 TCS3200 的光传感器来说，它对这三种基本色的敏感性是不相同的，导致TCS3200 的RGB 输出并不相等，因此在测试前必须进行白平衡调整，使得TCS3200 对所检测的“白色”中的三原色是相等的。进行白平衡调整是为后续的颜色识别作准备。在本装置中，白平衡调整的具体步骤和方法如下：将空的试管放置在传感器的上方，试管的上方放置一个白色的光源，使入射光能够穿过试管照射到TCS3200 上；根据前面所介绍的方法，依次选通红色、绿色和蓝色滤波器，分别测得红色、绿色和蓝色的值，然后就可计算出需要的三个调整参数。

TCS3200D颜色识别传感器（可编程彩色光频识别转换器模块）

主要参数

尺寸：37*37mm
固定孔：3mm
孔距：22.6*22.6mm
电压：5V
芯片：TCS3200D
端口：数字量
输出：10-12KHz,占空比50%
检测距离：10mm
平台：Arduino 单片机

主要特点

输出占空比50%
所有的引脚全部引出
采用TCS3200D，性能优于TCS230D
所有IO全部引出，可控式LED补光灯
通过程序可以读取颜色的RGB值
适用于静态物体颜色的检测
注意：不能检测灯光的颜色
检测距离1厘米最佳
检测有效距离小于等于5厘米
可直接和单片机连接
采用高亮白色LED灯反射光
静态识别物体颜色，不同颜色输出不同频率

模块电原理图

模块接线

Arduino Uno <-----> TSC3200颜色传感器

Pin 6 <-----> S0

Pin 5 <-----> S1

Pin 4 <-----> S2

Pin 3 <-----> S3

Pin 2 <-----> OUT

5V <-----> VCC

GND <-----> GND

TCS3200颜色传感器是一款全彩的颜色检测器，包括了一块TAOS TCS3200RGB感应芯片和4个白光LED灯，TCS3200能在一定的范围内检测和测量几乎所有的可见光。它适合于色度计测量应用领域。比如彩色打印、医疗诊断、计算机彩色监视器校准以及油漆、纺织品、化妆品和印刷材料的过程控制。

通常所看到的物体颜色，实际上是物体表面吸收了照射到它上面的白光(日光)中的一部分有色成分，而反射出的另一部分有色光在人眼中的反应。白色是由各种频率的可见光混合在一起构成的，也就是说白光中包含着各种颜色的色光(如红R、黄Y、绿G、青V、蓝B、紫P)。根据德国物理学家赫姆霍兹(Helinholtz)的三原色理论可知，各种颜色是由不同比例的三原色(红、绿、蓝)混合而成的。

由上面的三原色感应原理可知，如果知道构成各种颜色的三原色的值，就能够知道所测试物体的颜色。对于TCS3200D 来说，当选定一个颜色滤波器时，它只允许某种特定的原色通过，阻止其它原色的通过。例如：当选择红色滤波器时，入射光中只有红色可以通过，蓝色和绿色都被阻止，这样就可以得到红色光的光强；同理，选择其它的滤波器，就可以得到蓝色光和绿色光的光强。通过这三个光强值，就可以分析出反射到TCS3200D传感器上的光的颜色。

TCS3200D传感器有红绿蓝和清除4种滤光器，可以通过其引脚S2和S3的高低电平来选择滤波器模式，如下图。

TCS3200D有可编程的彩色光到电信号频率的转换器，当被测物体反射光的红、绿、蓝三色光线分别透过相应滤波器到达TAOS TCS3200RGB感应芯片时，其内置的振荡器会输出方波，方波频率与所感应的光强成比例关系，光线越强，内置的振荡器方波频率越高。TCS3200传感器有一个OUT引脚，它输出信号的频率与内置振荡器的频率也成比例关系，它们的比率因子可以靠其引脚S0和S1的高低电平来选择，如下图。

白平衡校正方法是：把一个白色物体放置在TCS3200颜色传感器之下，两者相距10mm左右，点亮传感器上的4个白光LED灯，用Arduino控制器的定时器设置一固定时间1s，然后选通三原色的滤波器，让被测物体反射光中红、绿、蓝三色光分别通过滤波器，计算1s时间内三色光对应的TCS3200传感器OUT输出信号脉冲数（单位时间的脉冲数包含了输出信号的频率信息），再通过正比算式得到白色物体RGB值255与三色光脉冲数的比例因子。有了白平衡校正得到的RGB比例因子，则其它颜色物体反射光中红、绿、蓝三色光对应的TCS3200输出信号1s内脉冲数乘以R、G、B比例因子，就可换算出了被测物体的RGB标准值了。

安装程序中的TimerOne.h库文件的二种办法

1、请下载：

https://github.com/PaulStoffregen/TimerOne

2、安装TimerOne库：IDE—工具—管理库—搜索TimerOne—安装

/*
【Arduino】168种传感器模块系列实验（63）
实验六十三： TCS3200D颜色识别传感器（可编程彩色光频识别转换器模块）
安装TimerOne库：IDE—工具—管理库—搜索TimerOne—安装
*/
#include <TimerOne.h>//申明库文件
//把TCS3200颜色识别传感器各控制引脚连到Arduino数字端口
#define S0 6 //物体表面的反射光越强，TCS3200内置震荡器产生的方波频率越高，
#define S1 5 //SO和S1的组合决定输出信号频率比例因子，比例因子为2%
//比例因子为TCS3200传感器OUT引脚输出信号频率与其内置振荡器频率之比
#define S2 4 //S2和S3的组合决定让红、绿、蓝，哪种光线通过滤波器
#define S3 3
#define OUT 2 //TCS3200颜色传感器输出信号
//在中断函数中纪录TCS3200输出信号的脉冲个数
int g_count = 0; // 计算与反射光相对应TCS3200颜色传感器输出信号的脉冲数
int g_array[3]; // 存储RGB值
int g_flag = 0; // 滤波器模式选择顺序标志
float g_SF[3]; // 从TCS3200输出信号的脉冲数转换为RGB标准值的RGB比例因子
//初始化TSC3200各控制引脚的输入输出模式
//设置TCS3200的内置振荡器方波频率与其输出信号频率的比例因子为2%
void TSC_Init()
{
pinMode(S0, OUTPUT);
pinMode(S1, OUTPUT);
pinMode(S2, OUTPUT);
pinMode(S3, OUTPUT);
pinMode(OUT, INPUT);
digitalWrite(S0, LOW);
digitalWrite(S1, HIGH);
}
//选择滤波器模式，决定让红、绿、蓝，哪种光线通过滤波器
void TSC_FilterColor(int Level01, int Level02)
{
if(Level01 != 0)
Level01 = HIGH;
if(Level02 != 0)
Level02 = HIGH;
digitalWrite(S2, Level01);
digitalWrite(S3, Level02);
}
//中断函数，计算TCS3200输出信号的脉冲波
void TSC_Count()
{
g_count ++ ;
}
//定时器中断函数，每1S中断后，把该时间内的红、绿、蓝三种光线通过滤波器时，
//TCS3200输出信号脉冲个数分别存储到数组g_array[3]的相应元素变量中
void TSC_Callback()
{
switch(g_flag)
{
case 0:
Serial.println("->WB Start");
TSC_WB(LOW, LOW); //选择让红色光线通过滤波器的模式
break;
case 1:
Serial.print("->Frequency R=");
Serial.println(g_count); //打印1s内的红光通过滤波器时，TCS3200输出的脉冲个数
g_array[0] = g_count; //存储1S内的红光通过滤波器时，TCS3200输出的脉冲个数
TSC_WB(HIGH, HIGH); //选择让绿色光线通过滤波器的模式
break;
case 2:
Serial.print("->Frequency G=");
Serial.println(g_count); //打印1S内的绿光通过滤波器时，TCS3200输出的脉冲个数
g_array[1] = g_count; //存储1S内的绿光通过滤波器时，TCS3200输出的脉冲个数
TSC_WB(LOW, HIGH); //选择让蓝色光线通过滤波器的模式
break;
case 3:
Serial.print("->Frequency B=");
Serial.println(g_count); //打印1s内的蓝光通过滤波器时，TCS3200输出的脉冲个数
Serial.println("->WB End");
g_array[2] = g_count; //存储1s内的蓝光通过滤波器时，TCS3200输出的脉冲个数
TSC_WB(HIGH, LOW); //选择无滤波器的模式
break;
default:
g_count = 0; //计数值清零
break;
}
}
//设置反射光中红、绿、蓝三色光分别通过滤波器时如何处理数据的标志
//该函数被TSC_Callback()调用
void TSC_WB(int Level0, int Level1) //White Balance
{
g_count = 0; //计数值清零
g_flag ++; //输出信号计数标志
TSC_FilterColor(Level0, Level1); //滤波器模式
Timer1.setPeriod(1000000); // 设置输出信号脉冲计数时长1s
}
//初始化
void setup()
{
TSC_Init();
Serial.begin(9600); //启动串口通信
Timer1.initialize(); // defaulte is 1s缺省是1秒
Timer1.attachInterrupt(TSC_Callback); //设置定时器1的中断，中断调用函数为TSC_Callbace()
//设置TCS3200输出信号的上跳沿触发中断，中断调用函数为TSC_Count()
attachInterrupt(0, TSC_Count, RISING);
delay(4000); //延时4s，以等待被测物体红、绿、蓝三色在1s内的TCS3200输出信号脉冲计数
//通过白平衡测试，计算得到白色物体RGB值255与1s内三色光脉冲数的RGB比例因子
for(int i=0; i<3; i++)
Serial.println(g_array);
g_SF[0] = 255.0/ g_array[0]; //红色光比例因子
g_SF[1] = 255.0/ g_array[1] ; //绿色光比例因子
g_SF[2] = 255.0/ g_array[2] ; //蓝色光比例因子
//打印白平衡后的红、绿、蓝三色的RGB比例因子
Serial.println(g_SF[0]);
Serial.println(g_SF[1]);
Serial.println(g_SF[2]);
}
//红、绿、蓝三色光分别对应的1s内TCS3200输出脉冲数乘以相应的比例因子就是RGB标准值
//打印被测物体的RGB值
void loop()
{
g_flag = 0;//每获得一次被测物体的RGB颜色值时需要4s
for(int i=0; i<3; i++) //打印被测物体的RGB值
Serial.println(int(g_array * g_SF));
delay(4000);
}

识别接近灰白色的串口输出数据

白色的串口数据

实验仿真编程（linkboy3.6）

三种原色的波形，都是255一条线的是白色

在具体项目中，您所检测的是某种特定颜色的物体，可能就像前面图片展示的几种颜色类似，绝不会有连续变化颜色的物体。于是，应该以上述程序获得的被测物体颜色R、G、B值为中心，设置一个距离中心值±20的范围值，在任何环境光条件下，再次检测被测物体的RGB值，只要RGB值落在范围内，就可以认为被测物体是那种特定颜色的物体。这样设定颜色值范围的方法，可以有效提高物体颜色的识别率。